Impact Evaluation of Future Climate and Land Use Scenarios on Water and Sediment Regime using Distributed Hydrological Modelling in a Tropical Rainforest Catchment in West Java (Indonesia)

Abstract

[EN] Climate change has occurred in Indonesia, for example, increasing the surface air temperature, including in the Upper Citarum watershed. This phenomenon leads to a lack of water in the dry season, which lowers agriculture production and remains a great obstacle for agricultural activity. Meanwhile, human activity has produced severe LULC changes within the Upper Citarum watershed. This occurs due to the demands of the ever-increasing population growth in the region. As a result, rice field and forested areas have been sacrificed to compensate the urban increment. The general objective of this dissertation is to understand and analyze the impact of climate and LULC changes on the hydrological process and their relationship with historical and future changes by using spatially distributed modeling on the Upper Citarum tropical catchment. The distributed model TETIS has been implemented to obtain the results of past and future scenarios on the water and sediment cycles. Annual historical bathymetries in the reservoir were used to calibrate and validate the sediment sub-model involving Miller's density evolution and trap efficiency of Brune's equation. Climate change has been considered under RCP 45 and RCP 85 trajectories. Meanwhile, to overcome the LULC problem, historical and future LULCs have been studied. LCM model was used to forecast the LULC in 2029. The forecasted results of LCM model show, on one hand, a continuation in the expansion of urban areas at the expense of the contiguous rice fields. The results determined that deforestation and urbanization were the most influential factors for the alteration of the hydrological and sedimentological processes in the Upper Citarum Catchment. Thus, it decreases evapotranspiration, increases water yield by increasing all its components; overland flow, interflow and baseflow. The changes in LULC are currently producing and will produce in the future, a relatively small increment of erosion rates, increasing the area exceeds Tsl erosion. Sediment yield will increase in 2029 as the result of erosion increment. Other LULC scenarios such as conservation, government plan and natural vegetation scenarios are expected to have an increment in total evapotranspiration, the water yield is expected to decrease. Flood regime, erosion and sedimentation are reduced dramatically. Hence, it leads to a massive increment of reservoir and hydropower lifetime signed by a very long period of the lifetime. Climate change alters the magnitude of water balance and can be identified from the shift of infiltration, overland flow, interflow, baseflow and water yield. Those increments finally change the flood regime, catchment erosion. RCP 85 trajectory gives a bigger impact compared to RCP 45 trajectory on hydrological and sediment cycle. . LULC change results a bigger impact on water balance, flood regime, erosion and sedimientation. The combination of climate and LULC change give a bigger impact on the flows of water balance, erosion, flood, sedimentation and will be catastrophic for the hydropower operation of the Saguling Dam.

[ES] El cambio climático ha afectado a Indonesia, por ejemplo, incrementando la temperatura del aire en la superficie, incluso en la cuenca del Upper Citarum. Este fenómeno conduce a la falta de agua en la estación seca, reduciendo la producción agrícola lo que es un gran obstáculo para su actividad. Además, la actividad humana ha producido cambios severos en LULC en la cuenca del Upper Citarum, Indonesia. Esto se debe al elevado crecimiento de la población en la región, por el que se han convertido campos de arroz y áreas boscosas en suelo urbano. De esta forma, el objetivo general de esta tesis es comprender y analizar el impacto de los cambios climáticos y LULC en el proceso hidrológico y su relación con los cambios históricos y futuros mediante el uso de modelos distribuidos espacialmente en la cuenca tropical del Upper Citarum. El modelo distribuido TETIS se ha implementado para obtener los resultados de escenarios pasados y futuros en los ciclos de agua y sedimentos. Se usaron batimetrías históricas anuales en el embalse para calibrar y validar el submodelo de sedimentos que involucra la evolución de la densidad de Miller y la eficiencia de retención de la ecuación de Brune. Con el fin de arrojar más luz sobre estos problemas, el escenario de cambio climático se ha implementado en base al modelo de cambio climático bajo las trayectorias RCP 45 y RCP 85. Además, para intentar resolver el problema LULC, también se ha implementado el LULC histórico y futuro. El modelo LCM se usó para pronosticar el LULC en 2029 y los resultados muestran, por un lado, una continuación en la expansión de las áreas urbanas a expensas de los arrozales contiguos. Los resultados determinaron que la deforestación y la urbanización fueron los factores más influyentes para la alteración de los procesos hidrológicos y sedimentológicos en la cuenca del Upper Citarum. Por lo tanto, disminuye la evapotranspiración, aumenta la producción de agua al aumentar todos sus componentes; escorrentía, interflujo y flujo base. Los cambios en LULC están produciendo y producirán, un incremento relativamente pequeño de las tasas de erosión, aumentando el área excede la erosión de Tsl. La producción de sedimentos aumentará en 2029 como resultado del incremento de la erosión. Se espera que otros escenarios de LULC como la conservación, el plan gubernamental y los escenarios de vegetación natural tengan un incremento en la evapotranspiración total, y se espera que la producción de agua disminuya. El régimen de inundación, la erosión y la sedimentación se reducen drásticamente. Por lo tanto, habrá un incremento de la vida útil del embalse y la energía hidroeléctrica. El cambio climático altera la magnitud del equilibrio hídrico y puede identificarse a partir del cambio de infiltración, escorrentía, interflujo, flujo base y producción de agua. Esos incrementos finalmente cambian el régimen de inundación y erosión de la cuenca. La trayectoria RCP 85 tiene un mayor impacto en comparación con la trayectoria RCP 45 en el ciclo hidrológico y de sedimentos. El cambio de LULC tiene un mayor impacto en el balance hídrico, el régimen de inundación, la erosión y la sedimentación. La combinación del cambio climático y LULC tiene un mayor impacto en los flujos de equilibrio hídrico, erosión, inundación, sedimentación y será catastrófico para la operación hidroeléctrica de la presa Saguling.

[CA] El canvi climàtic ha afectat Indonèsia, per exemple, incrementant la temperatura de l'aire en la superfície, inclús en la conca de l'Upper Citarum. Aquest fenomen conduïx a la falta d'aigua en l'estació seca, reduint la producció agrícola, el que és un gran obstacle per a la seua activitat. A més, l'activitat humana ha produït canvis severs en LULC en la conca de l'Upper Citarum, Indonèsia. Açò es deu a l'elevat creixement de la població en la regió, motiu pel qual s'han anat convertint camps d'arròs i àrees boscoses en sòl urbà. D'aquesta manera, l'objectiu general d'aquesta tesi és comprendre i analitzar l'impacte dels canvis climàtics i LULC en el procés hidrològic i la seua relació amb els canvis històrics i futurs per mitjà de l'ús de models distribuïts espacialment en la conca tropical de l'Upper Citarum. El model distribuït TETIS s'ha implementat per a obtindre els resultats d'escenaris passats i futurs en els cicles de l'aigua i sediments. Es van usar batimetries històriques anuals en l'embassament per a calibrar i validar el submodel de sediments que involucra l'evolució de la densitat de Miller i l'eficiència de retenció de l'equació de Brune. Amb la finalitat de donar més llum a aquests problemes, l'escenari de canvi climàtic s'ha implementat basant-se en el model de canvi climàtic davall les trajectòries RCP 45 i RCP 85. A més, per a intentar resoldre el problema LULC, també s'ha implementat el LULC històric i futur. El model LCM es va usar per a pronosticar el LULC en 2029 i els resultats mostren, d'una banda, una continuació en l'expansió de les àrees urbanes a costa dels arrossars contigus. Els resultats van determinar que la desforestació i la urbanització van ser els factors més influents per a l'alteració dels processos hidrològics i sedimentològics en la conca de l'Upper Citarum. Per tant, disminuïx l'evapotranspiració, augmenta la producció d'aigua en augmentar tots els seus components; escorrentia, interflux i flux base. Els canvis en LULC estan produint i produiran, un increment relativament xicotet de les taxes d'erosió, augmentant l'àrea excedix l'erosió de Tsl. La producció de sediments augmentarà en 2029 com a resultat de l'increment de l'erosió. S'espera que altres escenaris de LULC com la conservació, el pla governamental i els escenaris de vegetació natural tinguen un increment en l'evapotranspiració total, i s'espera que la producció d'aigua disminuïsca. El règim d'inundació, l'erosió i la sedimentació es reduïxen dràsticament. Per tant, hi haurà un increment de la vida útil de l'embassament i l'energia hidroelèctrica. El canvi climàtic altera la magnitud de l'equilibri hídric i pot identificar-se a partir del canvi d'infiltració, escorrentia, interflux, flux base i producció d'aigua. Eixos increments finalment canvien el règim d'inundació i erosió de la conca. La trajectòria RCP 85 té un major impacte en comparació amb la trajectòria RCP 45 en el cicle hidrològic i de sediments. El canvi de LULC té un major impacte en el balanç hídric, el règim d'inundació, l'erosió i la sedimentació. La combinació del canvi climàtic i LULC té un major impacte en els fluxos d'equilibri hídric, erosió, inundació, sedimentació i serà catastròfic per a l'operació hidroelèctrica de la presa Saguling.